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爱因斯坦唯一笃信的热力定律被击破 永动机要成真

爱因斯坦曾经大胆地声称,热力学定律是宇宙中唯一一个“永不被推翻”的物理理论。但上月晚些时候,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)的科学家发现该体系存在一个漏洞,让他们能够打破热力学第二定律。

这一发现不仅仅给了我们一个机会,让我们有一天可以打造永动机,而且对我们如何理解宇宙有巨大影响。

永动机可以在没有能量输入的情况下永恒旋转,以前只是一个难以实现的理论。如果永动机连接到发电厂的涡轮机,则可以给我们提供无限的电力。

爱因斯坦唯一笃信的热力定律被击破 永动机要成真
(图注:从最小原子的产生到遥远黑洞的崩溃,一切都受热力学定律的控制。热力学第二定律从根本上为宇宙存在时间设定了极限,阐明了宇宙中的万物为什么终有一天会衰败。)

热力学四大定律是我们宇宙的基本物理规则之一,19世纪中期由物理学家和工程师共同提出,他们希望这些定律有助于提高蒸汽机的效率。该定律解释了温度、能量和熵如何共同作用,创造和摧毁物质。宇宙中一切运动,从最小原子的产生到遥远黑洞的崩溃,都受这四条定律的控制。

热力学第二定律解释了系统内能量如何转化,从有效能量转化为无效能量。研究人员发现了该定律存在一个漏洞。该定律解释了为什么我们手机和笔记本电脑需要充电,以及我们的太阳为什么有一天会消失。它表明了在一个封闭系统内能量不能无限循环重复,因此我们必须补充失去的能量。

爱因斯坦唯一笃信的热力定律被击破 永动机要成真
(图注:与需要燃料输入的汽车发动机或需要太阳光的太阳能电池板的传统机器不同,永动机可以在没有能量输入的情况下产生新能量,因此可以无限地产生能量。)

热力学第二定律从根本上为我们宇宙的存在时间设定了极限,阐明了为什么宇宙中的万物终有一天会走向衰败。现在,阿贡国家实验室的物理学家发现了一个小小的漏洞,可以让科学家绕过热力学第二定律,有可能让我们研制出能产生无限能量的机器。

一些小型“永动机”已经由业余工程师和物理学家制作出来并上传到YouTube上,但它们大多是概念证明。热力学第二定律的基础是熵不断增加,而熵是衡量一个热力学系统无序状态的量度单位。

阿贡国家实验室的研究人员声称,他们发现的漏洞可以绕过这个人们长期信奉的宇宙规则,允许熵以相反方向加速前进。但这种现象只能小规模、局部和短时间内发生。

物理学家研究了与热力学第二定律相关的统计概念——H定理。

H定理指出,在一个封闭系统中熵将总是均匀分布的,因此高熵区域(如温室)中的粒子将总是流向低熵区域(如冷室),直到每个区域的熵均匀分布为止。

通常,科学家通过分析大群分子如何运动来评估H定理的影响,因为分析一个单分子的运动是非常复杂的。但是,阿贡国家实验室的研究团队决定接受这一挑战。通过将量子信息理论应用于凝聚态物理学,该研究团队提出了一个新的、量子水平的H定理,可以读取单个分子而不是大群分子的运动路径。

阿贡国家实验室的Ivan Sadovskyy博士说:“这使我们能够制定量子H定理,在记录详尽的量子物理过程与构成量子信息论的量子理论通道之间建立联系。”

在这个新的量子H定理模型中,一些分子被认为出现熵暂时减少的现象,从而粉碎了热力学第二定律。

阿贡国家实验室的研究团队通过制定一个数学模型,进一步展示了如何创建一个暂时“负熵增益”的量子系统,换句话说,该系统的熵值出现减少。该研究团队的另一名成员Valerii Vinokur博士称:“虽然违背第二定律是情况只是发生在局部范围,但影响非常深远。”

Vinokur博士补充说,这个发现最终“使打造一个局部的量子永动机成为可能”。

虽然这些量子永动机仍然是一种纯粹的理论,但阿贡国家实验室研究团队的发现意味着人类朝着打造一台真正永动机的目标前进了一大步。

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